新能源汽車熱管理研究綜述

馬浩然，李佳輝，畢 崟

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

隨著我國(guó)對(duì)新能源汽車技術(shù)的不斷支持，發(fā)展新能源汽車成為了我國(guó)汽車發(fā)展的重要舉措并取得了顯著成果，被全球廣泛認(rèn)為是一次成功的國(guó)家戰(zhàn)略[1]，純電動(dòng)汽車的運(yùn)行是以電作為能源的，通過電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)車輛[2]。因此，新能源汽車的熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車的熱管理系統(tǒng)上有很大的差別，新能源汽車是電池和電機(jī)在工作中產(chǎn)生熱量，而傳統(tǒng)燃油車是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱量。新能源汽車熱管理系統(tǒng)需要對(duì)溫度進(jìn)行精確控制，主要是座艙溫度、電池溫度和動(dòng)力總成溫度，因此，新能源汽車熱管理系統(tǒng)會(huì)更加復(fù)雜。對(duì)于新能源汽車來說解決新能源汽車的續(xù)航里程和乘坐舒適性的矛盾，是新能源汽車急需要解決的問題[3-4]。

1 座艙熱管理（汽車空調(diào)）概述

空調(diào)系統(tǒng)是汽車熱管理的關(guān)鍵，無論是駕駛員還是乘客都希望追求汽車的舒適性，汽車空調(diào)的重要功能是通過調(diào)節(jié)汽車乘員艙內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)速，使乘員艙達(dá)到一個(gè)舒適的駕駛和乘坐環(huán)境。主流的汽車空調(diào)的原理是通過蒸發(fā)吸熱，冷凝放熱的熱物理原理，使車廂內(nèi)溫度變冷或變熱。在外界溫度較低時(shí)能夠向車廂內(nèi)輸送加熱后的空氣，使駕駛員和乘客感覺不到寒冷；在外界溫度較高時(shí)能夠向車廂內(nèi)輸送低溫空氣使駕駛員和乘客感覺更加涼爽。所以汽車空調(diào)對(duì)車廂內(nèi)空氣調(diào)節(jié)和乘員的舒適性起著非常重要作用。

1.1 傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)及工作原理

傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥四個(gè)部件構(gòu)成[5]。

壓縮機(jī)是一個(gè)動(dòng)力裝置，可以將低溫低壓的氣態(tài)冷媒通過壓縮變成高溫高壓的氣態(tài)冷媒，壓縮機(jī)在燃油汽車上一般都安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而使壓縮機(jī)工作。

蒸發(fā)器是一種換熱的裝置，安裝在座艙內(nèi)，蒸發(fā)器的工作原理就是利用蒸發(fā)吸熱從而降溫。當(dāng)?shù)蜏氐蛪旱囊簯B(tài)冷媒通過蒸發(fā)器時(shí)，液態(tài)冷媒氣化吸收車廂內(nèi)的熱量從而能夠使車廂迅速降溫。

冷凝器也是一種換熱的裝置，安裝在車廂外部，冷凝器的工作原理則是通過冷凝吸熱從而升溫，當(dāng)高溫高壓的氣態(tài)冷媒通過冷凝器時(shí)，通過風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻將熱量釋放到外界空氣，使高溫高壓氣態(tài)冷媒轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥袦馗邏旱囊簯B(tài)冷媒。

膨脹閥是一個(gè)將中溫高壓液體膨脹成低溫低壓液體的裝置，膨脹閥一般安裝在蒸發(fā)箱的入口處，將中溫高壓的液態(tài)冷媒通過膨脹變成低溫低壓的液態(tài)冷媒，從而使冷媒進(jìn)入到蒸發(fā)箱中吸收車廂內(nèi)的熱量。

汽車空調(diào)由制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)組成，這三個(gè)系統(tǒng)組成了汽車空調(diào)的總成。傳統(tǒng)燃油汽車制冷的原理就是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)這四個(gè)步驟，如圖1 所示。通過這四個(gè)步驟一直反復(fù)循環(huán)，就可以保證制冷系統(tǒng)的運(yùn)行。然后蒸發(fā)箱持續(xù)不停給座艙制冷。

圖1 汽車空調(diào)原理圖

傳統(tǒng)燃油汽車制熱的原理是利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱對(duì)汽車座艙加熱，首先從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套中出來的溫度較高的冷卻水進(jìn)入到暖風(fēng)芯體中，通過風(fēng)機(jī)將冷空氣吹過暖風(fēng)芯體，被加熱的空氣就可以被吹入車廂，用于座艙加熱或車窗除霜，冷卻水離開加熱器后又回到發(fā)動(dòng)機(jī)中，完成一次循環(huán)。

1.2 新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)及工作原理

由于新能源汽車和傳統(tǒng)燃油汽車的驅(qū)動(dòng)裝置不同，燃油汽車空調(diào)壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以新能源汽車上的空調(diào)壓縮機(jī)不能使用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行帶動(dòng)，則轉(zhuǎn)而使用電動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行冷媒的壓縮。新能源汽車基本原理與傳統(tǒng)燃油汽車的相同，利用冷凝放熱，蒸發(fā)吸熱給乘員艙進(jìn)行降溫，僅僅是其壓縮機(jī)改為電動(dòng)壓縮機(jī)，目前主要使用渦旋結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)對(duì)冷媒進(jìn)行壓縮[6]。

新能源汽車的制熱模式和傳統(tǒng)燃油汽車大有不同，由于傳統(tǒng)燃油汽車制熱模式是將發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱通過冷卻液傳到車廂內(nèi)給車廂內(nèi)進(jìn)行升溫，但是新能源汽車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，就不存在發(fā)動(dòng)機(jī)給車廂進(jìn)行加熱的過程，因此，新能源汽車采用了其他的制熱模式給車廂進(jìn)行加熱。以下給出了幾種新能源汽車空調(diào)制熱的方式。

1）半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)：半導(dǎo)體制熱器是由半導(dǎo)體元件和接線柱來進(jìn)行降溫加熱功能[7]，該系統(tǒng)中熱電偶為降溫制熱基本元器件，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。將兩個(gè)半導(dǎo)體器件連接成為一個(gè)熱電偶，通上直流電之后，會(huì)在接口處產(chǎn)生熱量和溫差從而為車艙內(nèi)部進(jìn)行加熱。半導(dǎo)體制熱的主要優(yōu)點(diǎn)是可以快速地加熱車廂，主要缺點(diǎn)是半導(dǎo)體加熱會(huì)消耗大量的電量，對(duì)于需要追求續(xù)航里程的新能源汽車來說，其缺點(diǎn)是致命的。因此，不能滿足新能源汽車對(duì)空調(diào)節(jié)能的要求。也更需要人們對(duì)于半導(dǎo)體加熱方式進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種高效節(jié)能的半導(dǎo)體加熱方式。

圖2 半導(dǎo)體制熱原理圖

2）正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）風(fēng)暖加熱：PTC 主要部件是熱敏電阻，通過電熱絲進(jìn)行加熱，是直接將電能轉(zhuǎn)變成熱能的裝置。PTC 風(fēng)暖加熱體系就是將傳統(tǒng)燃油汽車的暖風(fēng)芯體變成PTC 風(fēng)暖加熱器，使用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外界的空氣通過PTC 加熱器進(jìn)行加熱，將加熱后的空氣送入車廂內(nèi)部使車廂加熱，由于其直接消耗電量，因此，在開啟暖風(fēng)時(shí)對(duì)新能源汽車的能量消耗也比較大。

3）PTC 水暖加熱：PTC 水暖和PTC 風(fēng)暖一樣都是通過利用電量的消耗產(chǎn)生熱量，但是水暖系統(tǒng)是先通過用PTC 加熱冷卻液，將冷卻液加熱到一定溫度后，將冷卻液泵入到暖風(fēng)芯體中，與周圍的空氣進(jìn)行熱交換，風(fēng)機(jī)將加熱后的空氣送入到車廂中，對(duì)座艙進(jìn)行加熱。然后冷卻水在經(jīng)過PTC 進(jìn)行加熱，往復(fù)循環(huán)，此加熱系統(tǒng)相較PTC風(fēng)冷來說更加可靠安全。

4）熱泵空調(diào)系統(tǒng)：熱泵空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的原理一樣，但是熱泵空調(diào)可以實(shí)現(xiàn)座艙制熱和制冷的轉(zhuǎn)換[8]，其原理如圖3、圖4 所示，通過一個(gè)四通換向閥來改變系統(tǒng)內(nèi)的冷媒的流向，從而達(dá)到制冷制熱交換的過程。由于熱泵空調(diào)不直接消耗電能發(fā)熱，因此，熱泵空調(diào)的節(jié)能程度比PTC 加熱器的高，目前熱泵空調(diào)在部分車輛上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

圖3 熱泵空調(diào)制冷原理圖

圖4 熱泵空調(diào)制熱原理圖

2 動(dòng)力系統(tǒng)熱管理概述

汽車動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理分為傳統(tǒng)燃油汽車動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理和新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)熱管理，現(xiàn)在傳統(tǒng)燃油汽車的動(dòng)力系統(tǒng)熱管理已經(jīng)非常成熟，傳統(tǒng)燃油汽車是以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的[9]，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理就是傳統(tǒng)汽車熱管理的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，汽車系統(tǒng)中超 30% 的熱量需要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路釋放，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下過熱[9]。利用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液對(duì)車廂進(jìn)行熱循環(huán)。

傳統(tǒng)燃油汽車的動(dòng)力裝置由傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器組成，而新能源汽車以電池、電機(jī)、電控組成，兩者的熱管理方式發(fā)成了很大的變化，新能源汽車的動(dòng)力電池的正常工作溫度范圍為25～40 ℃[10]。因此，電池的熱管理既需要對(duì)其進(jìn)行保溫又要對(duì)其進(jìn)行散熱。同時(shí)電機(jī)的溫度也不能過高，如果電機(jī)的溫度太高的話就會(huì)影響到電機(jī)的使用壽命[11]，因此，電機(jī)在使用過程中也需要進(jìn)行必要的散熱措施。以下分別對(duì)電池的熱管理系統(tǒng)和電機(jī)電控等部件的熱管理系統(tǒng)的介紹。

2.1 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)基于不同的冷卻介質(zhì)主要分為風(fēng)冷、液冷、相變材料和熱管冷卻[12]。不同的冷卻方式其原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大有不同。

1）動(dòng)力電池風(fēng)冷：通過空氣的流動(dòng)使電池組與外界空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。風(fēng)冷一般分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻，自然冷卻是當(dāng)汽車行駛過程中外界空氣對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。強(qiáng)制風(fēng)冷是加裝一個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)著電池組進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、便于商業(yè)化應(yīng)用，缺點(diǎn)是散熱效率較低，空間占用比大，噪聲問題嚴(yán)重。

2）動(dòng)力電池液冷：通過液體的流動(dòng)使電池組的熱量被帶走。由于液體的比熱容比空氣的比熱容大，所以液冷的冷卻效果要優(yōu)于風(fēng)冷的冷卻效果，冷卻速度也快于風(fēng)冷，對(duì)電池組散熱后的溫度分布也比較均勻。因此，液冷冷卻也被大量的商業(yè)利用。但是液冷冷卻也有缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)就是存在漏液風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)雜性相對(duì)較大，維護(hù)成本高。

3）相變材料冷卻：相變材料（Phase Change Material, PCM）有石蠟、水合鹽、脂肪酸等，在發(fā)生相變時(shí)可以吸收或釋放大量潛熱而自身的溫度保持不變。因此，PCM 具有較大的熱能儲(chǔ)存容量，同時(shí)也無需額外的能量消耗，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)等電子產(chǎn)品的電池散熱中。但是對(duì)于汽車動(dòng)力電池的應(yīng)用仍處于研究狀態(tài)。相變材料存在導(dǎo)熱率低的問題，導(dǎo)致PCM 與電池接觸的面融化，而其它的部位未融化，降低了系統(tǒng)的換熱性能，不適合大尺寸的動(dòng)力電池。如果能解決這些問題，PCM 冷卻會(huì)成為新能源汽車熱管理最具潛力的發(fā)展方案。

4）熱管冷卻：熱管是一種基于相變傳熱的裝置，熱管是一個(gè)充滿飽和狀態(tài)工作的介質(zhì)/液體（水、乙二醇或丙酮等）的密封容器或密封管道。熱管的一段為蒸發(fā)端，一端為冷凝端。既可以吸收電池組的熱量又可以對(duì)電池組進(jìn)行加熱，是目前最理想的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。但是其目前也仍處于研究狀態(tài)。

5）制冷劑直接冷卻：直接冷卻是利用R134a制冷劑等冷卻劑蒸發(fā)吸熱原理，將空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器安裝在電池箱中使電池箱快速冷卻的一種方式。直冷系統(tǒng)冷卻效率高，制冷量大。

以上為五種動(dòng)力電池的熱管理的主流的方式，其各自的優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 電機(jī)、電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)

新能源汽車在工作時(shí)由于電機(jī)和各種電控原件都會(huì)產(chǎn)生熱量，電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中也有一大部分被轉(zhuǎn)化為了熱能[13-14]。電機(jī)和電控系統(tǒng)溫度過高就會(huì)嚴(yán)重威脅到電機(jī)及控制系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性，因此，需要對(duì)電機(jī)和電控進(jìn)行降溫，保證其良好工作。其中在汽車上被應(yīng)用最廣泛的還是風(fēng)冷、液冷這兩種方式[15]。

1）電機(jī)、電控風(fēng)冷：其風(fēng)冷換熱通常使用翅片加大了其換熱面積，換熱效率變高，工藝簡(jiǎn)單價(jià)格低廉，在小型電機(jī)的上應(yīng)用廣泛，電機(jī)、電控的風(fēng)冷系統(tǒng)和動(dòng)力電池的風(fēng)冷系統(tǒng)一樣都可以分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷，一種是自然風(fēng)直接與電機(jī)、電控進(jìn)行換熱，另一種則是加裝一個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)電機(jī)、電控進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷措施，其中風(fēng)機(jī)的功率可以根據(jù)電機(jī)的功率發(fā)熱量進(jìn)行選擇。

2）電機(jī)、電控液冷：液冷系統(tǒng)就是圍繞電機(jī)布置一條封閉的管道，采用循環(huán)流道的方式持續(xù)對(duì)電機(jī)散熱，其中液冷的冷卻液一般有四種：水、變壓油、水和乙二醇混合液（體積分?jǐn)?shù)35%）、水和乙二醇混合液（體積分?jǐn)?shù)50%）[16]。電機(jī)液冷的管路圖有4 種，如圖5 所示。

圖5 電機(jī)液冷系統(tǒng)的管路圖

3）蒸發(fā)冷卻技術(shù)：蒸發(fā)冷卻技術(shù)最早由荷蘭的科學(xué)家提出[17]，我國(guó)也從1958 年開始研究蒸發(fā)冷卻技術(shù)，至今已經(jīng)有60 多年的時(shí)間，但是蒸發(fā)冷卻技術(shù)一直被用于建筑領(lǐng)域、數(shù)據(jù)中心和水電站的大型水輪發(fā)電機(jī)冷卻，三峽地下電站有兩臺(tái)機(jī)組采用HFC-4310 為介質(zhì)，利用高絕緣、低沸點(diǎn)液體沸騰吸收汽化潛熱進(jìn)行冷卻的一種自循環(huán)冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)用在700 MW 的巨型水輪發(fā)電機(jī)上屬世界首例[18]。圖6 為蒸發(fā)冷卻原理圖。但是蒸發(fā)冷卻技術(shù)基本上沒有用在小型電機(jī)上，例如純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)上沒有使用過蒸發(fā)冷卻技術(shù)。因此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車的制冷是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖6 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)原理圖

新能源汽車的電池、電機(jī)和電控的熱管理系統(tǒng)對(duì)新能源汽車的安全性是非常重要的，保證電池、電機(jī)和電控工作在一個(gè)安全的溫度環(huán)境是非常必要的，對(duì)于上述的各種熱管理系統(tǒng)來說，不僅只能單獨(dú)工作，也可以耦合在一起進(jìn)行工作，組合式的模式也可以達(dá)到更好的效果，這就需要研究人員深入研究和開發(fā)。

3 典型車型的熱管理技術(shù)概述

3.1 特斯拉Model Y 熱管理系統(tǒng)

特斯拉是一家專注于研發(fā)新能源汽車的公司，也是行業(yè)的領(lǐng)頭羊，因此，特斯拉在新能源汽車熱管理系統(tǒng)上的產(chǎn)品也是不斷更新，特斯拉公司在Model Y 車型上首次采用了全新的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，這是特斯拉的第四代也是最新一代熱管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種模式下的熱管理，并且特斯拉熱泵空調(diào)的控制更加復(fù)雜，集成化程度高，維修更加便利[19]。

新能源汽車將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和高效暖通空調(diào)等進(jìn)行集成是新能源汽車熱管理系統(tǒng)的趨勢(shì)[20]。特斯拉的第四代汽車熱管理系統(tǒng)就是將電池的熱管理和座艙的熱管理集合起來，將整車的熱源利用起來，并且在外界溫度高于冷卻液溫度時(shí)還可以將外界的熱量吸收進(jìn)車內(nèi)進(jìn)行利用。如圖7 所示為特斯拉熱管理系統(tǒng)原理圖。

圖7 特斯拉熱管理系統(tǒng)原理圖

從圖中可以看出特斯拉的這款熱泵空調(diào)系統(tǒng)開創(chuàng)性的使用了一個(gè)八通閥，通過車載電腦控制八通閥旋轉(zhuǎn)使電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)，產(chǎn)生了多種工作模式?？筛鶕?jù)環(huán)境溫度與電池溫度自動(dòng)規(guī)劃熱泵系統(tǒng)的加熱程度，啟用不同的加熱模式。這種熱管理系統(tǒng)還對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)增加電驅(qū)回路換熱器，可以在冬天將三電系統(tǒng)廢熱回收利用到熱泵系統(tǒng)為乘員艙服務(wù)，在乘員艙沒有人時(shí)，回收乘員艙熱量到三電系統(tǒng)進(jìn)行保溫?？刂葡到y(tǒng)還可以對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)門的開度以及壓縮機(jī)輸出的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)[21]，可以使空調(diào)系統(tǒng)更加舒適，使熱管理系統(tǒng)更加高效和熱能利用更加合理。

3.2 比亞迪漢、唐熱管理系統(tǒng)

比亞迪是我國(guó)的自主品牌汽車，也是全世界第二大充電電池生產(chǎn)廠家，因此，比亞迪在電動(dòng)汽車上的研發(fā)投入很大，2022 年3 月起比亞迪公司停止燃油汽車的生產(chǎn)，專注于純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)。比亞迪新能源汽車在熱管理技術(shù)上面也有一定的成果。

比亞迪純電動(dòng)車型漢、唐的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用的是水冷換熱，利用空調(diào)系統(tǒng)電子膨脹閥及電池包冷卻；電池加熱采用PTC 水加熱器進(jìn)行冷卻液加熱。電池?zé)峁芾碓O(shè)置三檔需求，可以滿足空調(diào)及電池冷卻的不同優(yōu)先級(jí)?？照{(diào)采暖PTC 直接進(jìn)行加熱，能量利用率高于PTC 水暖，但耗能很高。圖8 所示為比亞迪漢、唐熱管理系統(tǒng)原理圖。

圖8 比亞迪漢、唐熱管理系統(tǒng)原理圖

在研發(fā)方面，比亞迪410 A 熱泵系統(tǒng)已經(jīng)通過試驗(yàn)可以達(dá)到-10 ℃采暖要求。比亞迪也研制出電池包直冷直熱及增焓熱泵技術(shù)，增焓熱泵可以滿足汽車在更低的溫度下進(jìn)行采暖，也正進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

3.3 豐田CHR EV、Prime 熱管理系統(tǒng)

豐田CHR EV 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通過空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)箱及鼓風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空氣循環(huán)進(jìn)行動(dòng)力電池制冷，加熱系統(tǒng)則采用12 V 鉛蓄電池供電，通過電熱絲發(fā)熱的原理對(duì)電池單元進(jìn)行升溫。而空調(diào)采暖采用PTC 控制模塊+冷卻板構(gòu)成空調(diào)水暖。圖9為豐田CHR EV 熱管理系統(tǒng)原理圖。

圖9 豐田CHR EV 熱管理系統(tǒng)原理圖

豐田Prime 采暖采用的熱泵系統(tǒng)借鑒了一個(gè)來自固定式商用車的概念，即采用制冷劑氣液分離器和制冷劑注氣回路的設(shè)計(jì)，從而將熱泵有效工作的最低溫度極限降低至-10 ℃。

豐田公司還提出了一種吸附式熱泵系統(tǒng)的專利，用于提高制冷劑與冷卻液的熱交換效率。

3.4 廣汽Aion S、Aion LX 熱管理系統(tǒng)

廣汽埃安是廣汽集團(tuán)旗下的新能源汽車品牌，致力于打造高端科技的新能源汽車，其在熱管理技術(shù)上也有一定的成果。

廣汽Aion S 電池加熱及空調(diào)制熱采用的PTC模塊制熱，電池冷卻則采用水冷模塊與空調(diào)模塊進(jìn)行水冷換熱，三合一電驅(qū)動(dòng)總成和車載充電機(jī)（On Board Charger, OBC）單獨(dú)具有水冷換熱循環(huán)，且具備余熱回收模式，低溫時(shí)系統(tǒng)會(huì)將電驅(qū)余熱引入電池保溫。

廣汽Aion LX 的溫控4.0 系統(tǒng)相比于Aion S上的系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)，準(zhǔn)備了全球首創(chuàng)雙層流熱泵空調(diào)系統(tǒng)，既避免低溫結(jié)霜又保證了乘員溫暖感。在0～10 ℃低溫環(huán)境下，該系統(tǒng)的搭載使用能有效增加車輛純電續(xù)航里程。

廣汽埃安提出一項(xiàng)專利，在熱泵電池直冷直熱上進(jìn)行布局，并對(duì)電池溫度控制進(jìn)行詳細(xì)說明，該溫度控制方案可構(gòu)成電池溫度控制的核心理論技術(shù)。

3.5 幾何C 熱管理系統(tǒng)

幾何汽車是吉利汽車集團(tuán)旗下的獨(dú)立高端純電品牌，是與吉利品牌、領(lǐng)克品牌并行的一級(jí)子品牌。幾何C 是吉利汽車集團(tuán)中高端純電品牌幾何汽車推出的首款運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV），是2022 年杭州亞運(yùn)會(huì)官方指定用車，是幾何+開源共享平臺(tái)的首個(gè)載體。幾何C 搭載由幾何汽車自主研發(fā)、行業(yè)首創(chuàng)的SEM智能能量管理系統(tǒng)，續(xù)航精準(zhǔn)度接近100%，續(xù)航最大提升40%。

幾何C 的乘員艙采用的熱泵空調(diào)技術(shù)，動(dòng)力電池的熱管理控制系統(tǒng)的循環(huán)體系中包含了一組為電芯提供高溫散熱伺服的水冷板控制模塊和一組為電芯提供低溫預(yù)熱伺服的PTC 控制模組，搭載了ITCS3.0 電池液冷溫控管理系統(tǒng)，可以讓電芯單體的溫差控制在±2 ℃以內(nèi)。圖10 為幾何C 熱管理原理圖。

圖10 幾何C 熱管理系統(tǒng)原理圖

3.6 小鵬P7 熱管理系統(tǒng)

小鵬P7 作為小鵬汽車的第二款純電動(dòng)車型，整車熱管理系統(tǒng)采用一體化儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)和單PTC加熱方案，利用一個(gè)四通閥實(shí)現(xiàn)整車系統(tǒng)級(jí)的熱循環(huán)，圖11 為小鵬P7 熱管理系統(tǒng)原理圖。

圖11 小鵬P7 熱管理系統(tǒng)原理圖

這一套方案的特點(diǎn)是使用了一體化儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)，電機(jī)、電池、乘客艙三者的膨脹罐一體化設(shè)計(jì)，變?yōu)橐粋€(gè)膨脹罐總成，減少零部件數(shù)量，可以降低成本。同時(shí)也讓余熱進(jìn)行循環(huán)利用，利用一個(gè)四通閥，將電機(jī)冷卻水路與電池溫控水路串接，利用電機(jī)余熱加熱電池，降低系統(tǒng)能量損失。可變進(jìn)氣格柵的設(shè)計(jì)，可根據(jù)工況和機(jī)艙溫度，智能調(diào)節(jié)進(jìn)氣格柵開度，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙保溫和降低風(fēng)阻，提升余熱回收效率和增加續(xù)航里程。

3.7 威馬EX5 熱管理系統(tǒng)

威馬EX5 搭載了全新的威馬熱管理2.0 系統(tǒng)，提出了主動(dòng)冷卻、電加熱以及柴油加熱系統(tǒng)，其中柴油加熱系統(tǒng)用來應(yīng)對(duì)零下30 ℃以下的極寒環(huán)境。圖12 為威馬熱管理2.0 系統(tǒng)。

圖12 威馬熱管理2.0 系統(tǒng)圖

這一套熱管理系統(tǒng)的亮點(diǎn)是，電池包使用了獨(dú)立的液冷回路，保證了電池包溫度控制更加精確，使電池溫度更加均勻，提高電池壽命。柴油加熱器的應(yīng)用除了對(duì)電池進(jìn)行加熱外還可以協(xié)助空調(diào)系統(tǒng)對(duì)乘員艙進(jìn)行加熱。

3.8 理想ONE 熱管理系統(tǒng)

理想ONE 汽車為增程式混合動(dòng)力汽車，因此，理想ONE 除了要對(duì)電池、乘員艙和電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行熱管理外還要對(duì)增程器進(jìn)行熱管理，四大板塊緊密協(xié)助，達(dá)到高效的熱利用。圖13 為理想ONE熱管理系統(tǒng)原理圖。

圖13 理想ONE 熱管理系統(tǒng)原理圖

理想ONE 熱管理系統(tǒng)技術(shù)亮點(diǎn)是多向流量控制閥精確地按比例開閉實(shí)現(xiàn)增程器、電池組和空調(diào)三套循環(huán)系統(tǒng)間熱量的精確傳遞和利用，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。極致的無級(jí)調(diào)節(jié)，小到流量控制閥、水泵，大到空調(diào)壓縮機(jī)，前端冷卻模塊上的散熱風(fēng)扇，都能通過整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）實(shí)現(xiàn)功率無級(jí)調(diào)節(jié)，保障電池、增程器、電動(dòng)機(jī)工作在最適宜的溫度。先進(jìn)的前端冷卻模塊，集成了冷凝器、低溫散熱器、高溫散熱器、中冷器和散熱風(fēng)扇五個(gè)模塊的前端冷卻模塊。

以上介紹了國(guó)內(nèi)外幾種新能源汽車的熱管理技術(shù)，每個(gè)公司每個(gè)車型都有自己的熱管理技術(shù)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，科研人員和工程師們一定可以使新能源汽車的續(xù)航里程和乘坐舒適性的矛盾得出最優(yōu)解決方案。

4 總結(jié)

新能源汽車熱管理是一種不同于傳統(tǒng)汽車的汽車熱管理系統(tǒng)，目前新能源汽車熱管理系統(tǒng)的技術(shù)和市場(chǎng)都還是處于起步階段，隨著科研人員的更進(jìn)一步的研究，新能源汽車熱管理系統(tǒng)都會(huì)向著整車熱管理一體化的方向發(fā)展，會(huì)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)好座艙和動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理，以及對(duì)車內(nèi)各個(gè)主要地方的溫度監(jiān)測(cè)和一體化控制，最大化程度利用好汽車內(nèi)以及外環(huán)境中的熱量。提高新能源汽車使用過程中的安全性，提高電池能量的利用效率達(dá)到節(jié)能的目的，提高新能源汽車的續(xù)航里程，最終提高乘員的舒適性和顧客的滿意程度。